Процесс эволюции видеоадаптеров из 80-х в 2000-е
Такой важный и незаменимый компонент системы, как видеокарта, прошел долгий путь развития. На протяжении десятилетий ускорители графики совершенствовались и менялись в соответствии с прогрессирующими технологиями.
Видеоадаптеры MDA и CGA
Обе модели были выпущены компанией IBM в 1981 году. MDA изначально ориентировался на деловую сферу и создавался под работу с текстом. Работая с нестандартными вертикальными и горизонтальными частотами, этот адаптер обеспечивал четкость изображения символов. В то же время CGA поддерживал только стандартные частоты и уступал в качестве выводимого на экран текста. Кстати в IBM PC можно было использовать одновременно оба адаптера.
Монохромный видеоадаптер MDA (Monochrome Display Adapter) представлялся в качестве стандарта на мониторы, подключавшиеся к нему. MDA поддерживал исключительно текстовый режим (80 столбцов на 25 строк), без графических режимов. В качестве ядра использовался чип Motorola Motorola 6845, объем видеопамяти достигал 4 Кб. Символы изображались с помощью матрицы 9×14 пикселей, где видимая часть символа составлялась как 7×11, а остальные пиксели формировали пустое пространство между строками и столбцами. Символы могли быть невидимыми, обычными, подчеркнутыми, жирными, инвертированными и мигающими. Атрибуты можно было комбинировать. В зависимости от монитора менялся и цвет символов (белый, янтарный, изумрудный).
Рабочее разрешение экрана составляло 720×350 пикселей (80×25 символов). Поскольку адаптер MDA работал исключительно в текстовом режиме и не не мог адресовать отдельные пиксели, он просто помещал в каждое знакоместо один из 256 символов.
CGA (Color Graphics Adapter) — первая «цветная» видеокарта. В отличии от MDA, видеоадаптер CGA функционировал в графическом режиме, поддерживая как черно-белое, так и цветное изображение. В качестве ядра также использовался чип Motorola MC6845, но объем видеопамяти увеличился в четыре раза и достигал 16 Кб.
В текстовых режимах 40×25 символов эффективное разрешение экрана составляло 320×200 пикселей, а в режимах 80×25 — 640×200 пикселей. При этом подобно первой модели у CGA не было возможности обращаться к каждому пикселю отдельно. Наибольшая цветовая глубина адаптера составляла 4 бита, что позволяло использовать палитру из 16 цветов. Было доступно 256 различных символов. Из палитры можно было выбрать цвет для каждого символа и для фона.
Палитра CGA:
А вот в графических режимах предоставлялась возможность обращения к любому отдельно взятому пикселю. Одновременно использовались только четыре цвета, которые определялись двумя палитрами:
1) пурпурный, сине-зелёный, белый и цвет фона (чёрный по умолчанию);
2) красный, зелёный, коричневый/жёлтый и цвет фона (чёрный по умолчанию).
Само собой, в монохромном режиме 640×200 пикселей были доступны только два цвета — белый и чёрный.
Видеоадаптер EGA
Видеоадаптер EGA пришел на смену двум предыдущим. Он был выпущен компанией IBM в 1984 году для модели ПК IBM PC/AT. По сути — это первый видеоадаптер, который смог воспроизводить нормальное цветное изображение. В EGA поддерживались как текстовый, так и графический режимы. При этом можно было использовать 16 цветов из 64 возможных при разрешении 640×350 пикселей.
Объем видеопамяти равнялся 64 Кб (но со временем увеличился до 256 Кб). Для передачи данных применялась шина ISA. Благодаря возможности процессора параллельно заполнять сегменты очень повысилась и скорость заполнения кадра. Для расширения графических функций BIOS видеоадаптер оснащался дополнительно 16 Кб ПЗУ.
EGA — первый видеоадаптер IBM, который позволял программно менять шрифты текстовых режимов. Адаптером поддерживались три текстовых режима. Первые два были стандартными:
— с разрешением 80×25 символов и 640×350 пикселей;
— с разрешение 40×25 символов и 320×200 пикселей.
А вот разрешение третего режима составляло 80×43 символов и 640×350 пикселей. Для его использования требовалась предварительная установка режима 80×25 и загрузка шрифта 8×8 с помощью команды BIOS. Частота кадров — 60 Гц, но могла использоваться 21,8 КГц для 350 строк и 15,7 КГц для 200 строк.
Видеоадаптер MCGA
В 1987 году был выпущен многоцветный графический адаптер MCGA (MultiColor Graphics Adapter), появившийся в ранних моделях компьютеров от IBM PS/2. Он был интегрирован в материнскую плату и не выпускался в виде отдельного устройства.
Объем видеопамяти составлял 64 Кб, как и у EGA. Расширилась общая палитра — до 262 144 оттенков за счет введения 64 уровней яркости для каждого цвета. Количество выводимых цветов выросло до 256.
В 256-цветном режиме разрешение MCGA составляло 320×200 точек, с частотой обновления 70 Гц. Не было битовых плоскостей, каждый пиксель на экране кодировался соответствующим байтом. Адаптер поддерживал все режимы CGA, работал в монохромном режиме с разрешением 640×480 пикселей и частотой обновления 60 Гц.
Во время возникновения MCGA большинство игр поддерживалось лишь в 4-цветном режиме CGA. И с помощью аналогово сигнала удалось подстроиться под увеличение отображаемых цветов, сохраняя совместимость со старыми режимами. Поэтому подключение к монитору осуществлялось разъемом DB-15 семейства D-Sub.
Видеоадаптер VGA
В том же году IBM выпустила революционный адаптер VGA (Video Graphics Array). Особенностью VGA стало расположение основных подсистем на одной микросхеме, что делало видеокарту более компактной.
Архитектура VGA состояла из подсистем:
— графического контроллера, отвечающего за обмен данными между центральным процессором и видеопамятью;
— видеопамяти с объемом в 256 Кб DRAM (по 64 Кб на каждый цветовой слой);
— секвенсора, преобразовывающего данные из видеопамяти в поток битов, передаваемый контроллеру атрибутов;
— контроллера атрибутов, преобразовывающего входные данные в цветовые значения;
— синхронизатора, управляющего временными параметрами видеоадаптера и переключающего цветовые слои;
— контроллера ЭЛТ, генерирующего сигналы синхронизации для дисплея.
Отображаемых цветов стало больше и потребовались новые графические режимы. У VGA были стандартные режимы:
— с разрешением 640×480 пикселей (с 2 и 16 цветами);
— с разрешением 640×350 пикселей (с 16 цветами и монохромный);
— с разрешением 640×200 пикселей (с 2 и 16 цветами);
— с разрешением 320×200 пикселей (с 4, 16 и 256 цветами).
Программисты работали над увеличением разрешения VGA, в результате появились нестандартные, так называемые «X-режимы» на 256 цветов с разрешением 320×200, 320×240 и 360×480. Нестандартные режимы использовали плоскостную организацию видеопамяти (формирования цвета по 2 бита из каждой плоскости). Такая организация видеопамяти помогала задействовать всю видеопамять карты для формирования 256-цветного изображения. Это позволяло использовать более высокие разрешения.
В VGA поддерживались несколько видов шрифтов и режимов. Стандартный шрифт имеет разрешение 8×16 пикселей. Для работы с текстом использовались различные комбинации из нескольких режимов и видов шрифтов.
Видеоадаптер IBM 8514/A
Вслед за VGA в 1987 году вышел «профессиональный» видеоадаптер IBM 8514/A, который выпускался c 512 КБ (младшая версия) и с 1 МБ (старшая версия) видеопамяти. Он не совмещался ни с одним из предыдущих адаптеров.
При наличии 1 Мб видеопамяти IBM 8514/A, создавалось 256 цветное изображение с максимальным разрешением 1024×768 точек. В случае с 512 Кб видеопамяти, тоже разрешение давало не более 16 цветов. Версии также поддерживали меньшее разрешение 640×480 точек с 256 цветами и аппаратное ускорение графики.
Видеоадаптер использовал программный стандартизированный интерфейс «Adapter Interface» или AI.
Одной из примечательных особенностей 8514/A была поддержка аппаратного ускорения рисования, с помощью которой видеоадаптер ускорял создание линий и прямоугольников, заливку фигур и поддерживал технологию BitBLT.
У видеоадаптера IBM 8514/A имелось довольно много клонов. В большинстве из них присутствовала поддержка интерфейса ISA. Наиболее популярными из копий были адаптеры компании ATI — Mach 8 и Mach 32.
Видеоадаптер XGA
В 1990 году компания IBM сделала заявление о выходе 32-разрядного видеоадаптера XGA (eXtended Graphics Array) Display Adapter.
XGA использовал тип видеопамяти VRAM с объемом 512 Кб. Поддерживалось разрешение 640×480 точек с 16-битным цветом, а также 256-цветное изображение с разрешением 1024×768 точек.
В 1992 году компания презентовала обновленный вариант видеоадаптера — XGA-2. Вторая модель немногим отличалась от первой. Увеличился объем видеопамяти на 1 Мб, использовалась ускоренная версия VRAM. Видеоадаптер дополнительно поддерживал 1360×1024 -16 цветов. В стандарте XGA-2 не применялась развертка с чередованием в режимах высокого разрешения.
Видеоадаптер SVGA
В 1989 году Super VGA (Super Video Graphics Array) презентовал поколение видеоадаптеров, совместимых с VGA, но способных функционировать в более высоком разрешении и с большим количеством цветов. SVGA поддерживали разрешения от 800×600 и количество цветов до 16 млн. Поскольку для устройств не было четких спецификаций, как такового, стандарта SVGA не существовало. Поэтому практически все видеоадаптеры SVGA следовали единому программному интерфейсу ассоциации производителей VESA (Video Electronic Standards Association). Стандарт VESA предусматривал использование всех разрешений. Наиболее распространенными были видеорежимы: 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1200.
Характерной особенностью SVGA стал встроенный акселератор.
Видеоадаптер S3 ViRGE
Графический чипсет S3 Virtual Reality Graphics Engine (ViRGE) один из «первопроходцев» рынка 2D/3D ускорителей. Он был выпущен в 1995 году с основной целью — ускорить трехмерную графику в реальном времени.
У S3 ViRGE был 64-битный интегрированный 2D/3D акселератор с наличием ТВ — выхода и стандартным набором фильтров. То есть в качестве монитора можно было использовать телевизионный экран. Объем памяти достигал 4 Мб, был встроенный цифро-аналоговый преобразователь на 170 МГц. Частота графического процессора составляла 66 МГц. В качестве интерфейса использовался PCI. Обеспечивалась поддержка Direct3D, BRender, RenderWare, OpenGL и собственного API S3D.
Невзирая на целевое предназначение, S3 ViRGE лучше работал в режиме 2D (например, с обработкой графического интерфейса Windows). При обработке трехмерных изображений производительность значительно падала.
Видеоадаптер ATI Rage II
С 1996 года компания ATI Technologies начала выпуск серии графических чипсетов ATI Rage с ускорением 2D, 3D графики и видео. Наиболее известной была видеокарта ATI Rage II. Графический процессор основывался на переработанном ядре Mach64 GUI, дополнялся поддержкой 3D и функцией ускорения видео формата MPEG-2. Обьем видеопамяти составлял 2 Мб, 4 Мб или 8 Мб. Частота памяти типа SGRAM достигала 83 МГц, а графическое ядро функционировало на частоте 60 МГц.
Чип также имел драйверы для Microsoft Direct3D и Reality Lab, QuickDraw 3D Rave, Criterion RenderWare, и Argonaut BRender. Rage II использовался в некоторых компьютерах Macintosh и в прототипе iMac G3 (Rage II+).
Линейка видеокарт Rage II представлялась моделями IIC, II+ и II+DVD, которые различались частотой процессора и объемом памяти. В Rage II+DVD частота ядра и памяти была 60 МГц, имелось до 83 МГц SGRAM, а пропускная способность памяти достигала 480 Мб/с.
Видеоадаптер RIVA 128
RIVA 128 (Real-time Interactive Video and Animation accelerator) был выпущен в 1997 году Nvidia. Это был первый графический процессор компании, получивший известность. Данная видеокарта сочетала в себе функции как 2D-, так и 3D-ускорителя.
RIVA 128 был спроектирован с совместимостью с Direct3D 5 и OpenGL API. На кристалле этого графического процессора, выполненного по 350-нанометровому техпроцессу, размещалось 3,5 миллиона транзисторов. Рабочая частота ядра достигала 100 МГц. Видеокарта использовала память SGRAM с объемом 4 Мб. Ширина шины памяти составляла 128 бит с пропускной способностью 1.6 ГБ/с. RIVA 128 работала через интерфейс PCI, а также через порт AGP 1x.
Видеоадаптеры Voodoo
Целое поколение видеоадаптеров выпустила компания 3Dfx. Первой разработкой молодой команды была видеокарта Voodoo Graphics, вышедшая в 1996 году. Набор аппаратных средств применялся в играх на аркадных автоматах. Первой такой игрой была ICE Home Run Derby. В последствии компания позиционировала свой продукт, как высокопроизводительные и высококачественные технологии трехмерной графики для компьютерных игр.
Графический процессор и память Voodoo Graphics работали на частоте 50 МГц, DirectX 3, PCI. Объем памяти типа EDO составлял 4 Мб. Интерфейс памяти был 64-битным. Плата осуществляла ускорение только трёхмерной графики, поэтому потребовалось наличие 2D-видеокарты для обычного двухмерного ПО. Она подключалась переходным VGA кабелем ко входу видеоконтроллера Voodoo. А во второй (выходной) разъем подключался монитор.
В 1997 году вышла новая разработка — Voodoo Rush, представляющая комбинацию чипсета Voodoo Graphics и чипсета двухмерной графики. Большая часть карт использовала двухмерный компонент AT25/AT3D от Alliance Semiconductor. Но в определенных образцах были установлены 2D-микросхемы Macronix. Voodoo Rush имел такие же характеристики, как и его предшественник, однако на практике значительно уступал в производительности. Причина состояла в использовании Voodoo Rush и CRTC двухмерного чипсета одной и той же памяти, что снижало быстродействие. Кроме того Voodoo Rush не был выведен непосредственно на шину PCI.
В 1998 году компания выпустила чипсет Voodoo2 с архитектурой Voodoo Graphics, дополненной вторым текстурным процессором. Такое добавление позволило отрисовывать две текстуры за один проход, что конечно же весьма увеличило производительность видеокарты. Чип работал только с трехмерным изображением. Его частота составляла 90–100 МГц, а в качестве памяти использовалась EDO DRAM с объемом 8 Мб и 12 Мб. Разрешение картинки достигало 1024×768 пикселей при 12 Мб памяти и 800×600 в случае с 8 Мб памяти при режиме цвета в 16 бит. Инновационной была технология SLI (Scan-Line Interleave), которая позволяла совместно работать сразу двум платам Voodoo2. Эти платы соединялись с помощью специального кабеля и каждая обрабатывала половину строк на экране.
В 1999 году компания выпустила третье поколение видеокарт — Voodoo3, совмещающих на одной плате 2D и 3D-ускорители. Частота ядра и памяти составляла 143 МГц, объем достигал 16 Мб на чипах типа SGRAM. Видеокартой поддерживался 16-битный цвет. Максимальное разрешение в режиме 3D составляло 1600×1200 пикселей. В качестве интерфейса использовались порты PCI или AGP 2x.
Видеоадаптер Matrox G200
В 1998 году компания Matrox представила свой 3D-ускоритель — G200. Архитектура видеокарты вмещала в себе много интересных технологий. Как например SRA (Symmetric Rendering Architecture), обеспечивающую чтение и запись графических данных в системную память. Такие манипуляции повышали скорость работы видеокарты. G200 поддерживал технологию VCQ (Vibrant Color Quality), использующую при визуализации 32-битный цвет вне зависимости от глубины цвета конечного изображения. То есть, все операции происходили в 32-битном режиме, а после по необходимости (если картинка была 16-битная) палитра сжималась. Таким образом удавалось добиться наилучшего качества изображения на то время.
G200 поддерживал память типа SGRAM с объемом 8 Мб или 16 Мб, а также SDRAM и встроенный RAMDAC. Для ускорения трансфера текстур из оперативной памяти, использовался DIME (Direct Memory Execute).
Чип G200 имел 128-битное ядро. В целях повышения производительности в двухмерном режиме применялась архитектура шины памяти DualBus. Она использовала две 64-разрядные шины и пару командных конвейеров. Поддерживались очень высокие разрешения, в режиме 3D — до 1280×1024 точек и 32-битной глубиной цвета.
Видеоадаптер Intel i740
В 1998 году компания Intel представил свой графический адаптер Intel i740. Данная модель в первую очередь предназначалась для систем, построенных на базе процессоров Pentium II.
Адаптер был создан с использованием 350-нанометровой технологии, частота ядра и видеопамяти составляла 66 МГЦ, ширина шины памяти — 64 бита. Объем памяти типа SDRAM или SGRAM достигал 16 Мб. В качестве интерфейса использовалась шина AGP или PCI. Видеокартой поддерживалось билинейное и трилинейное текстурирование. Максимальное разрешение составляло 1280×1024 точки в 16-битном цвете и 1600×1200 в 8-битном.
Видеоадаптеры RIVA TNT и TNT2
RIVA TNT (Real-time Interactive Video and Animation accelerator TwiN Texel, кодовое название NV4) — графический процессор компании NVIDIA, вышедший в 1998 году. Новый чип содержал 7 миллионов транзисторов, а его частота составила 90 МГц. В качестве чипов памяти использовались модули SDRAM 16 Мб, применялась 128-битная шина памяти. Глубина цвета у видеокарты достигала 32 бита с разрешением текстуры 1024×1024 точек.
Видеоадаптер RIVA TNT поддерживал технологию Twin-Texel (способность чипа работать с двумя текселами одновременно) с помощью которой можно было накладывать две текстуры на один пиксель за такт в режиме мультитекстурирования. Это значительно повысило скорость заполнения.
В 1999 году году компания выпустила видеокарту TNT2 (кодовое название NV5). Модель во многом соответствовала предшественнику, но при этом включила поддержку AGP 4X, 32MB VRAM. Еще уменьшился техпроцесс с 0,35 мкм до 0,25 мкм, что дало возможность повысить частоту процессора до 150 МГц. Был доработан блок рендеринга и поднята частота RAMDAC до 300 МГц. Это обеспечило работу видеокарты в сверхвысоких разрешениях. Добавилась функция 32-битного цвета в 3D, появилась поддержка текстур больше 2048×2048 пикселей и поддержка интерфейса AGP 4x. Всего на рынок было выведено четыре модификации TNT2.
Видеоадаптер ATI Rage 128
В 1999 году вышла видеокарта Rage 128, изготовленная по 350-нанометровому техпроцессу. Частота ядра и памяти составляла 103 МГц, RAMDAC — 250 МГц. Объем памяти доходил 32 Мб, использовалась 128-битная шина. Видеокарта поддерживала 32-битный цветовой режим.
Видеокарта поддерживала однопроходную трилинейную фильтрацию и аппаратное ускорение DVD-видео. Кроме того Rage 128 работала с технологией Twin Cache Architecture, объединяя кэш-память пикселей и текстур для увеличения полосы пропускания. Также чип обладал суперскалярным рендерингом (SSR — Super Scalar Rendering), который осуществлял обработку двух пикселей одновременно в двух конвейерах.
Видеоадаптер S3 Savage
На рынок производительных 3D-ускорителей вышла компания S3 Graphics, анонсировавшая в 1998 году выпуск видеокарты Savage 3D. Среди особенностей данного видеоадаптера выделяли однопроходную трилинейную фильтрацию, поддержку алгоритма компрессии текстур S3TC, видео стандарта MPEG-2 и наличие ТВ-выхода. Savage 3D поддерживал интерфейс AGP 2x. Объем видеопамяти составлял 8 Мб, использовалась 64-битная шина. Ядро функционировало на частоте 125 МГц. В режиме 2D достигалось разрешение 1600×1200 пикселей с частотой обновления экрана 85 Гц.
В 1999 году вышел 3D-ускоритель Savage4, производившийся по 250-нанометровому техпроцессу. Частота работы оставалась 125 МГц. Объем памяти увеличился до 32 Мб. Шина памяти осталась без изменений (64-бит).
В Savage4 появилась поддержка однопроходного мультитекстурирования и интерфейса AGP 4x. Видеокарта также поддерживала однопроходную трилинейную фильтрацию. Благодаря хорошему качеству данной фильтрации и технологии сжатия текстур S3TC, Savage4 выдавала качественное изображение. В видеокарте присутствовал DVD-декодер.
Видеоадаптер GeForce 256
Все в том же 1999 году компания NVIDIA выпустила адаптер GeForce 256 (кодовое имя NV10), который смог опередить остальных за счет отменной функциональности. Это был весьма мощный 3D-акселератор, один из первых заменивший встроенный геометрический сопроцессор. У него присутствовало четыре конвейера рендеринга с рабочей частотой 120 МГц и 32 Мб памяти SDRAM. Частота ядра в режиме 3D достигала 120 МГц. Ширина шины видеопамяти была 128-бит, а частота — 166 МГц. Поддерживалось разрешение вплоть до 2048×1536 75 Гц.
В GeForce 256 были: интегрированный геометрический процессор преобразования координат и установка освещения (T&L), кубическое текстурирование картами окружения (сube environment mapping), проекция текстур (projective textures) и компрессия текстур.
